Creación del modelo

Contiene muchas diferencias con respecto a las anteriores simulaciones, por lo que en este apartado se describirá cómo se creo este modelo.

Lo primero que había que realizar era la geometría de la habitación, al principio iba a consistir en un cubo hueco con el altavoz dentro en forma de un cilindro simple y un enclosure que envolvería toda la habitación. Pero, como se verá en los pasos siguientes, se necesitaba que el enclosure entrara dentro del cubo hueco, y si el cubo era cerrado no podría, por lo que partimos el cubo por la mitad, y separamos las mitades 10 mm, esta distancia era suficiente para que el enclosure incluyera la parte interna.

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Podemos ver la habitación en la siguiente Figura 107:

Figura 107: Geometría del modelo de habitación estructural.

Si quitamos una de las partes, podemos ver el interior:

Figura 108: Geometría del Modelo Estructural partida.

Se puede ver en el interior en la Figura 108, la estructura que utilizamos para las simulaciones como altavoz, un cilindro de 300 mm de diámetro y 200 mm de largo.

Para realizar este modelo, lo que primero se creó fue el altavoz con las medidas dichas anteriormente y después cada parte de la habitación, extruyendo superficies.

Las medidas de la habitación variaron a lo largo del proyecto, empezando por ser 8x8x4 metros, después 4x4x1.5 y finalmente 4x4x2.25 metros.

Una vez hecha la estructura en SpaceClaim, había que definir el ambiente de simulación, eso lo realizamos con la opción Enclosure como vimos en la Figura 23.

En el vídeo pudimos ver que realizaba un Enclosure con todas las figuras y después las excluía con la opción “Share” de “Workbench” (Dentro del editor SpaceClaim, no la página principal del proyecto), ya que donde el autor del vídeo aplicaba las impedancias y excitaciones era en las superficies que quedan al restar (que es lo que provoca el “Share”) las figuras con el entorno

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creado, el “Enclosure”. Por lo que se hizo lo mismo, y esta es la razón para que la habitación esté partida, ya que, de esta manera, el “Enclosure” llenaba la estructura por dentro y podíamos restarle el altavoz, que será la fuente de excitación de nuestra simulación.

Una vez hecho esto, pasaríamos a la parte de simulación. Para ello, en la página principal del proyecto se pulsa en “Model”, donde se abre “Mechanical”, y aquí se configura la simulación que queremos hacer.

Una vez aquí se establece el rango de frecuencia y los intervalos de la simulación en “Analysis settings” como se ha hecho en simulaciones anteriores.

Se define a continuación la región acústica, donde se analizará la respuesta en frecuencia, “Acoustic region”, la cual está formada por el “Enclosure”, solo por este cuerpo.

Ahora se define la región estructural, “Physic region”, donde se analizan las deformaciones estructurales que pueda tener la habitación, por lo tanto, se escoge para esta región tanto el cilindro que hace de altavoz como la estructura de la habitación.

A continuación, se suprime el cilindro, para tener la estructura del cilindro hueco en el enclosure, y se elige una de sus bases circulares para que sea la fuente de excitación. Se mide en Kg/m2_{s, y}

en nuestro caso serán 100 Kg/m2_{s, para poder obtener valores altos en los resultados y que sean}

así más fáciles de visualizar.

Ahora se define la “Fluid solid interface” (FSI), de esta opción no hemos hablado en el capítulo 3, donde describimos algunos de los elementos de Ansys, ya que no es de los acústicos, solo se utiliza en simulaciones estructurales. EL FSI identifica dónde se transmiten las cargas a través del fluido que las rodea (en nuestro caso el “Enclosure” de aire, por eso la necesidad de que este entrara en la estructura de dentro de la habitación, para que se transmitieran las cargas) .

El icono de FSI se puede ver en la Figura 109.

Figura 109: Icono Fluid solid interface

Lo siguiente es definir los límites del entorno de simulación, definidos por “Radiation Boundary”, seleccionando las caras externas del “Enclosure” que rodean la habitación.

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Una vez hecho esto, se establecen qué partes de la estructura a analizar son fijas, ya que no tiene todos los grados de libertad, y hay que tenerlo en cuenta para los resultados. Para establecer qué partes son empotradas utilizamos el elemento “Displacement”, y seleccionamos la superficie de la habitación que representaría el suelo y también la superficie de la estructura que estaría también, fija al suelo. Lo podemos ver en las siguientes figuras: Figura 110 y Figura 111.

Figura 110: Suelo de la estructura.

Y hacemos una captura desde una perspectiva distinta para poder ver la selección de la superficie del suelo de la habitación:

Figura 111: Suelo de la habitación.

El icono de “Displacement” es el siguiente:

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En este elemento establecemos que “x”, “y” y “z” sea 0, como un empotramiento, el suelo no tiene ningún grado de libertad.

Llegados a este punto, se procede a especificar el tamaño del elemento de malla con “Body sizing”. En el vídeo de referencia es característico que, para decidir ese tamaño, tiene en cuenta la frecuencia más alta a la que va a simular. De esta manera podemos decidir que tamaño es el óptimo para simular.

Para saber qué tamaño de malla escoger hay que tener 3 datos:

 La velocidad del sonido en el aire (v), ya que es por donde la transmitimos y es 343.2 m/s.

 Y la frecuencia (f) más alta del rango en el que se va ha realizar la simulación en “Analysis settings”. Para hacer un ejemplo diremos que 5000Hz.

 El número de muestras mínimo que se querría hacer a la onda sonora, en el vídeo escogen 6 y nosotros también estableceremos 6. De esta manera ni nos excedemos en el número de muestras ni nos quedamos cortos.

De esta manera muestrearíamos la señal somo se muestra en la Figura 113:

Figura 113: Muestreo de la longitud de onda.

Entonces el tamaño del elemento de malla se elegiría de esta manera: 1. Hallando la longitud de onda de la frecuencia más alta:

𝑣 = 𝜆 ∗ 𝑓 → 𝜆 =𝑣

𝑓=

342.2𝑚_𝑠

5000 𝐻𝑧 = 0.06864 𝑚

2. Dividiendo la longitud de onda entre el número de muestras que queremos hacer, en este caso 6:

𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 =0.06864

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Este método también se puede realizar a la inversa, si por ejemplo, el tamaño de malla es demasiado pequeño para la estructura que quieres analizar y te da error. Tienes dos opciones: reducir el rango o los intervalos de frecuencia y no la malla o aumentar el tamaño de malla y no tocar el rango ni los intervalos.

Muchas veces reducir el rango o los intervalos no basta, porque sigue habiendo demasiados elementos de malla y también porque sería inviable, por ejemplo, simular de un intervalo en un intervalo de20 Hz hasta 2.000 Hz. Al ser tan pequeños los elementos de malla, las simulaciones a partir de este punto empiezan a alargarse horas.

Por lo tanto, se hizo un estudio de hasta qué rango de frecuencia era válido cada elemento de malla que probamos, es decir, si subo el elemento de malla, hasta qué frecuencia puedo simular siendo los datos válidos. Se calcularía a la inversa de lo explicado antes.

Por ejemplo, si quiero un tamaño de malla de 0.1m. ¿Cuál sería la frecuencia máxima a la que podría simular?:

1. A partir del tamaño de malla, obtengo la longitud de onda:

𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 =𝜆

6→ 𝜆 = 6 ∗ 𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 = 6 ∗ 0.06864 = 0.41184 𝑚 2. Una vez obtenida la longitud de onda calculamos la frecuencia:

𝑣 = 𝜆 ∗ 𝑓 → 𝑓 = 𝑣

𝜆=

342.2𝑚_𝑠

0.41184 𝑚 = 830.9 𝐻𝑧

Por lo tanto, con un elemento de malla del tamaño de 0.1 m solo podemos simular hasta 830 Hz.

Llegados a este punto del proyecto, en el que con las anteriores simulaciones vimos limitadas las capacidades del Ansys Students gratuito. Se consiguió a partir de la universidad la licencia del Ansys. De esta manera a partir de aquí no utilizamos la versión estudiante y por ello, ya no tenemos tanta limitación por el número de elementos creados a partir de la malla.

En el vídeo además nos fijamos en que establece 2 “Body sizing” uno para el “Enclosure” y otro para la estructura que queremos analizar. Ya que queremos que sea más exacto el de la estructura, por lo que esa malla será más fina que la del “Enclosure” y será la que tengamos de referencia a la hora de elegir el rango de frecuencias a simular.

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Antes de comenzar las simulaciones para poder ver mejor los resultados, vemos que en el vídeo hace un corte a la geometría por el centro. De esta manera podemos ver bien cómo el altavoz distribuye el sonido y sus efectos en la estructura y alrededores.

Para realizarlo establece un Sistema de coordenadas en medio del altavoz a partir de “Coordinate system” en “Mechanical” en el árbol de proyecto. Una vez hecho esto, hace click derecho en el sistema de coordenadas situado en el altavoz y elige “Create section plane”, de esta manera cortamos la geometría. Podemos ver el resultado en la siguiente Figura 114:

Figura 114: Section plane.

Además, se eligió el plano cortado como “Construction Surface” para poder evaluar ese plano concretamente en algunas simulaciones.

Por último, ya elegimos las simulaciones que queremos realizar, se incluyen tanto simulaciones estructurales como acústicas. Que serán:

 Total deformation: simulación estructural, donde se eligen los cuerpos que constituyen la estructura de la habitación.

 Acoustic pressure: se realiza dos veces, una donde se escogen todos los cuerpos que estén en la región acústica, es decir, en nuestro caso el “Enclosure” y otra en la que se elige la “Construction Surface”.

 Sound Pressure level: donde también se escogen todos los cuerpos acústicos.

 Far field SPL mic: esta simulación se añadirá para comparar los resultados en frecuencia con los otros modelos de habitaciones.

En el vídeo, en la “Surface Construction”, en su simulación de “Acoustic pressure” podemos ver el movimiento de las ondas realizado por el altavoz. Lo vemos en la Figura 115:

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89 Figura 115: Surface construction del vídeo.

Vemos que en el vídeo, Figura 115, se ve bastante bien ese movimiento a pesar de tener una “Mass source” mucho menor que la nuestra, al no obtener ese resultado decidimos subir de 0.01 Kg/m2s a 100 Kg/m2s. Aún así obtenemos una señal más floja, probablemente se deba a la forma de la estructura del altavoz y su tamaño, ya que el material es el mismo. Y también influye que la simulación del vídeo se da en un espacio de unos 300 mm de ancho mientras que el nuestro empezó siendo de 8 metros y acabó siendo de 4, que sigue siendo mucho más.

Los resultados y qué simulaciones se hicieron los comentaremos en los apartados siguientes. Podemos ver mejor cómo se aplica esa “Mass Source” en la siguiente Figura 116 , obtenida del Modelo de Impedancia que veremos más adelante, pero en el que se ilustra muy bien, dónde se sitúa la fuente de excitación, que en todos los modelos es la misma:

Figura 116: Aplicación de Mass source.

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